激光熔覆钢基表面自生复合材料的研究

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1、摘要本文结合激光熔覆和原位合成技术，在45钢表面成功地制备了Ni基以TiB2陶瓷为主的复合陶瓷涂层。利用TEM，EPMA电子探针及x射线衍射仪研究了熔覆层的化学成分，宏观、微观结构及相组成。研究了激光熔覆试样表层至基体显微硬度变化。根据激光对材料作用的传热特性，建立了激光熔覆过程传热模型，计算出激光加工过程中理论所需的工艺参数，为实验提供了理论依据。对激光熔覆过程中TiB2等原位形成的化学反应进行了热力学分析，论证了激光熔覆后涂层中TiB2优先形成的可能性，建立了TiB2反应模型：即熔覆粉末吸收激光能量，Ti由于熔点相对较低而首先熔化，熔融Ti液被

2、B颗粒吸附后在B表面反应生成TiB2，接着Ti原子透过TiB2层扩散进一步生成TiB2。激光熔覆试样存在三个不同的组织区域，由表及里依次为：熔覆层，热影响区以及基体。在优化工艺参数下，涂覆层与基体冶金结合，涂层组织均匀，细小，没有裂纹和孔洞等宏观缺陷。由X．ray衍射、EPMA电子探针以及TEM等分析表明，熔覆合金层显微组织由枝晶固溶体及其间细密的共晶组织组成，涂层中存在Y．Fe，Y-Ni，TiB2，TiB和少量的Ni483．为了得到理想的熔覆层与基底的结合界面，以及在熔覆层中较均匀分布的TiB2组织，对激光工艺参数进行了系统的研究。研究结果表明，

3、要获得良好的熔覆层，需要选择合适的激光功率和扫描速度等工艺参数。对多道搭接熔覆进行了研究。从理论上推导出搭接系数的确定方法。多道搭接的界面结合方式是以马氏体相变为主的冶金结合，从熔覆层X射线衍射和EPMA分析得出，涂层主要由v．Fe，Y—Ni固溶体和硼化物组成，所生成的B化物主要以TiB2硬质相为主，其它为TiB、Ni483和Fe3B等。激光熔覆多道搭接熔覆层的组织与单道熔覆相似，也包括三个区域：复合涂层，热影响区和基体。多道搭接熔覆组织呈现出一种周期性的变化，界面结合是以马氏体相变为主的冶金结合，各单道熔覆层的组织特征基本相同，但枝晶的尺寸和取向

4、不尽相同。因为激光熔覆的二次作用，搭接处的组织重新形核并长大，组织较其他地方细小。激光熔覆白生陶瓷涂层为激光熔覆技术提供了新的途径，为表面强化技术开拓了广阔的应用前景。关键词：激光熔覆、原位合成、涂层、TiB：AbstractCombininglasercladdingtechniqueandin—·situmetal--matrixcompositeproducingtechnique，In—situNi—TiB2ceramic-metalcompositecoatingshavebeencladdedonthesurfaceof45steelb

5、yC02lasermeltingaprecursormixtureofnickelbasedalloypowder，boronandtitaniumpowders．Thecomposition，microstructure，andhardnessofcladdinglayersweresystemstudiedbyEPMA，TEMandXRD．Thedependenceofmicro—hardnessondeptharestudied．Accordingtotheheattransferfeatureduringthemeltingprocesso

6、flasercladding，themodeloftheheattransferwasestablished．andthecalculatedresultswereagreedwiththeexperimentalonesquitewell．Inlasercladdingprocess，thechemicalreactionofTiB2isanalyzedbythermodynamictheory．Thetendenciesofthermodynamicsforpossibleformedphasewereanalyzed．Thereasonwhy

7、TiB2CanbeformedoptimNlywereexplained．Atthesametime，thereactivemechanismsbetweentitaniumandboronweretestified．TheresultsshowⅡ1atinproperprocessingmethod，titaniumismoltenfirstlybecauseofitsrelativelowermeltingpoint．TiB2isgeneratedonthesurfaceofboron．FurtherproducedTiB2dependsont

8、itanium’Sdiffusion．Themicrostructureanalysesshowthatthreeregi